AXI3和AXI4协议详细说明

本文基于ARM官方文档《AMBA AXI and ACE Protocol Specification》

因为AXI3和AXI4协议大部分相同，小部分不同，在官方文档中也是一起介绍的，所以本文将一起说明AXI3和AXI4，在两个协议不同的地方，会突出显示。

AMBA AXI 协议支持高性能高频率系统间主从元件间的通讯。AXI协议特征如下：

适合高带宽、低时延设计
无用复杂即可提供高频操作<
可满足多种组件的接口要求
适用于初始访问时延较高的内存控制器
提供了实施互连架构的灵活性
向后兼容AHB和APB接口

AXI协议的主要特征如下：

地址/控制阶段与数据阶段分离
使用字节选通脉冲支持未对齐的数据传输
使用基于突发的事务，仅发布起始地址
独立的读写数据通道，可提供低成本的直接存储器访问(DMA)
支持发布多个未完成的地址
支持无序事务完成
允许轻松添加寄存器级，以提供定时关闭

一. AXI架构

AXI有五个独立的通道：

写地址通道 Write address AW
写数据通道 Write data W
写响应通道 Write response B
读地址通道 Read address AR
读数据通道 Read data R

写/读地址通道包含控制信息。

写操作过程：

主机发送写地址/控制信号
主机发送要写入的数据
丛机发送写响应信号

读操作过程：

主机发送读地址/控制
丛机发送读数据

二. 各通道信号

2.1 全局信号

信号	源	描述
ACLK	时钟源	全局时钟信号，所有输入信号均在ACLK上升沿采样，所有输出信号的更改只能在ACLK上升沿之后。主从接口上的所有输入和输出信号间不允许有组合路径
ARESETn	复位源	全局复位信号，为异步复位同步置位信号，即ARESETn在任意时刻变为低电平可立刻生效，但置位为1时只能在ACLK的下一个上升沿生效

协议规定，在ARESETn低电平有效时

主机必须驱动ARVALID，AWVALID 和 WVALID为低电平
丛机必须驱动RVALID 和 RVALID为低电平
其它信号能被驱动为任意值

ARESETn置位为1后，VALID最快能在ARESETn置位后的下一个ACLK时钟上升沿置高，如下图:

2.2 写地址通道信号

信号	源	必需/可选	位宽	默认值	描述
AWID	主	可选	可变，协议未定义位宽， Xilinx使用0, 1, 2, … 32，一般为4	全0	写地址识别ID
AWADDR	主	必需	可变，协议未定义位宽， Xilinx使用12, 13, … 64，一般为32/64	-	要写入数据的内存地址
AWLEN	主	可选	8(AXI4是8位) 4(AXI3是4位)	8’h00 4’h0	数据是按份传输的，此信号表示接下来要写入的数据份数即数据量，实际传输数据量 = AWLEN + 1
AWSIZE	主	可选	3	数据总线宽度	表示每份数据占几个字节，如3‘b000对应1字节，3’b001对应2字节，… ，3‘b111对应2^7=128字节 n对应2^n直接
AWBURST	主	可选	2	2‘b01, INCR	突发类型，指示在写事务中每次传输之间地址如何变化
AWLOCK	主	可选	1(AXI4是1位) 2(AXI3是2位)	1’b0 2’b00	0表示Normal access, 定义主机访问丛机的是否是独占的
AWCACHE	主	可选	4	4’b0000	指示不同的内存类型
AWPROT	主	必须	3	3’b000	写事务的保护属性：特权，安全级别和访问类型提供用于禁止非法传输事务的访问权限信号
AWQOS	主	可选	4	4’b0000	服务质量标识符，在AXI3中未实现 AXI4中未指定AxQOS的确切用途，但建议用做读/写优先级指示符，QOS值越大优先级越高
AWREGION	主	可选	4	4’b0000	写入事务的区域指示器，在AXI3中未实现
AWUSER	主	可选	可变，协议未定义位宽，xilinx使用0, 1, 2, … 1024	全0	AXI4一般不建议使用用户字段在AXI3中未实现
AWVALID	主	必须	1	-	valid
AWREADY	从	必须	1	-	ready

2.2.1 xID

xID包括AWID、WID(仅在AXI3中实现)、BID、ARID、RID。

当AXI Master连接到AXI Interconnect IP或是AXI SmartConnect IP时，Connect IP会将一个附加位加到该主机侧的ARID，AWID和WID上。这有两个效果：

主机不必知道其他主机使用哪些ID值，因为Connect IP通过将主机号附加到原始标识符上，使每个主机使用的ID值唯一
从接口上的ID标识符比主接口上的ID标识符宽

对于写响应，Connect IP使用BID的附加位来确定写响应所针对的主端口。在将BID值传递到正确的主端口之前，互连模块会删除BID的附加位。

对于读取数据，Connect IP使用RID的附加位来确定读取数据的目标主机端口。在将RID值传递到正确的主端口之前，互连模块会删除RID的附加位。

所以，当Master连接了Connect IP后（几乎是必连的，主从AXI接口间都必须加Connect IP），Master不需要关心其它Master的ID值，即使多个使用相同ID值的Master通过Connect IP连到Slave也不会造成错乱，因为Connect IP会使用附加位来唯一标识每个Master的ID。

2.2.2 AxBURST

值	名	描述
2’b00	FIXED	在固定突发中， 1. 每次传输的地址都相同。 2. 有每份数据的有效字节通道是固定的，但与已声明WSTRB的实际字节可能不同。此突发类型用于重复访问同一位置，例如在加载或清空FIFO时。
2‘b01	INCR	递增。在递增突发中，突发中每次传输的地址都是前一次传输的地址的增量。增量值取决于传输的大小。例如，对于对齐的起始地址，突发大小为4字节的每次传输的地址为前一个地址加4。此突发类型用于访问常规顺序存储器
2’b10	WRAP	包装，包装突发与增量突发类似，不同之处在于，如果达到地址上限，地址会绕到一个较低的地址。以下限制适用于包装突发： • 起始地址必须与每次传输的大小对齐。 • 突发长度必须为2、4、8或16，即AWLEN必须为1、3、7或者15
2’b11	保留	-

2.2.3 AxSIZE

AWSIZE不能超过整数据传输路径中任意一条总线的宽度。如果AWSIZE对应的数据宽度比AXI数据总线宽度小，则称这样的传输是窄传输，显然，窄传输需要约定数据总线的哪些位是有效数据位。

当主机产生比其数据总线窄的传输时，AWBURST的值将确定传输使用的字节通道：

在增加或包装突发时，在突发传输中每份数据使用不同的字节通道。
在固定的脉冲串中，每份数据使用相同的字节通道。

下图展示了窄传输中8位数据在32位总线中INCR传输的过程，可以看到实际数据的位序和在数据总线中所处的位序始终是一样的，即字节不变序。8位为1字节，低字节在总线的低位，高字节在总线的高位。

2.2.4 AxLOCK

AxLOCK	Access type
1‘b0	Normal access 正常访问
1’b1	Exclusive access 独占访问

AXI3定义的AxLOCK[1:0]，比AXI4定义的多了一个Locked access锁定访问, 如下表。AXI3只推荐用于旧设备之中。

AxLOCK(AXI3)	Access type2
2‘b00	Normal access 正常访问
2’b01	Exclusive access 独占访问
2’b10	Locked access 锁定访问
2’b11	保留

2.2.5 AxCACHE

AxCAHCE表明访问的内存类型，AXI3与AXI4不同的编码不同，括号()内是AXI3编码。

2.2.6 AxPORT

AxPORT共3位，每一位的值代表不同的意义。一般可设置为3‘b000，表示非特权且安全的数据访问。

AxPROT	值	功能	描述
[0]	0	Unprivileged access 非特权访问	AXI主站可能支持多个级别的操作特权，并将这种特权概念扩展到内存访问。 AxPROT [0]将访问标识为非特权或特权
[0]	1	Privileged access 特权访问	-
[1]	0	Secure access 安全访问	AXI主站可能支持安全和非安全操作状态，并将这种安全性概念扩展到内存访问。 AxPROT [1]将访问标识为安全或不安全。 AxPROT [1]可以视为定义了两个地址空间，一个安全地址空间和一个非安全地址空间。该信号可被视为附加地址位。安全和非安全地址空间之间的任何别名都必须正确处理。
[1]	1	Non-secure access 非安全访问	-
[2]	0	Data access 数据访问	该位指示事务是指令访问还是数据访问。 AXI协议将此指示定义为提示。并非在所有情况下都是准确的，例如，当事务包含指令和数据项的混合时。本规范建议主机将AxPROT [2]设置为LOW，以指示数据访问，除非已知该访问是指令访问。
[2]	1	Instruction access 指令访问	-

2.3 写数据通道信号

信号	源	必需/可选	位宽	默认值	描述
WID	主	可选	可变，协议未定义位宽	-	写数据识别ID, 仅在AXI3中实现，通过AWID，WID与BID一致来对应地址和数据，故AXI3可支持乱序传输，而AXI4去除了WID信号，故AXI4只能顺序传输，数据紧跟地址，或者地址紧跟数据。
WDATA	主	必需	与AWSIZE指定的数据位宽保持一致 = 2^AWSIZE * 8	-	要写入的数据
WSTRB	主	可选	数据总线位宽 / 8 = 2^AWSIZE	全0	写选通，指示哪些字节通道保存有效数据 WSTRB为高表示数据总线的哪一/几字节是有效数据，具体的WSTRB [n]为高对应于WDATA [(8n+7：8n]这一字节的数据有效
WLAST	主	必需	1	-	指示写事务中的最后一次数据传输 WLAST置1表明此时刻的数据是最后一份数据
WUSER	主	可选	可变，协议未定义位宽，xilinx使用0, 1, 2, … 1024	-	一般不建议使用用户字段在AXI3中未实现
WVALID	主	必需	1	-	valid
WREADY	从	必需	1	-	ready

2.4 写响应通道信号

信号	源	必需/可选	位宽	默认值	描述
BID	主	可选	可变，协议未定义位宽	-	写响应ID，与AWID保持一致
BRESP	从	可选	2	2‘b00	写响应，指示写事务状态
BUSER	主	可选	可变，协议未定义位宽，xilinx使用0, 1, 2, … 1024	全0	一般不建议使用用户字段在AXI3中未实现
BVALID	主	必需	1	-	valid
BREADY	从	必需	1	-	ready

2.4.1 BRESP 与 RRESP

写响应和读响应功能是一样的，都是指示写/读交易是否成功，

BRESP[1:0] RRESP[1:0]	Response	描述
2’b00	OKAY	下面三种情况，丛机将回应OKAY: 1. 正常访问成功 2. 独占访问失败 3. AxLOCK为1表明独占访问，但丛机不支持独占访问
2’b01	EXOKAY	独占访问成功
2’b10	SLVERR	丛机反映错误，协议建议此信号只用于出现错误的情况而不用于正常情况例如以下情况: 1. FIFO或缓存区溢出 2. 不支持的AxSIZE，数据位宽大于总线位宽 3. 对只读区域发出写请求 4. 丛机响应超时 5. 尝试访问被禁用的或低功耗模式下的功能
2’b11	DECERR	DECERR指示互连模块无法成功解码从属访问。如果互连无法成功解码从属访问，则它必须返回DECERR响应。规范建议互连将访问路由到默认从站，并且默认从站返回DECERR响应。即使发生了错误情况，AXI协议也要求完成事务的所有数据传输。任何提供DECERR响应的组件都必须满足此要求。

注意：AXI协议要求无论是否出现错误，主从机都必须把一次写/读交易走完。对于写交易，是在最后数据全部传输完成后才通过写应答知道传输是否有错误，所以无论错误与否，写交易总是能走完；而对于读交易，读应答位于每份读数据的后面，所以可能第一份数据传到主机，主机就知道交易错误了，但是下面的数据主机要继续读完，丛机也要继续发完。

2.5 读地址通道信号

信号	源	必需/可选	位宽	默认值	描述
ARID	主	可选	可变，协议未定义位宽， Xilinx使用0, 1, 2, … 32，一般为4	全0	写地址识别ID
ARADDR	主	必需	可变，协议未定义位宽， Xilinx使用12, 13, … 64，一般为32/64	-	读数据地址，同AWADDR
ARLEN	主	可选	8（AXI4是8位） 4（AXI3是4位）	8’h00 4‘h0	实际传输数据量 = ARLEN + 1，同AWLEN
ARSIZE	主	可选	3	数据总线宽度	表示每份数据占几个字节，同AWSIZE
ARBURST	主	可选	2	2‘b01, INCR	突发类型，指示在写事务中每次传输之间地址如何变化, 同AWBURST
ARLOCK	主	可选	1（AXI4是1位） 2（AXI3是2位）	1’b0, 2’b00	见 2.2.4 AxLock
ARCACHE	主	可选	4	4’b0000	指示不同的内存类型，同AWCHACE
ARPROT	主	必须	3	-	写事务的保护属性：特权，安全级别和访问类型提供用于禁止非法传输事务的访问权限信号，同AWPROT
ARQOS	主	可选	4	4’b0000	服务质量标识符，AXI4中未指定AxQOS的确切用途，但建议用做读/写优先级指示符，QOS值越大优先级越高，同AWQOS 在AXI3中未实现
ARREGION	主	可选	4	4’b0000	写入事务的区域指示器，同AWREGION 在AXI3中未实现
ARUSER	主	可选	可变，协议未定义位宽，xilinx使用0, 1, 2, … 1024	全0	一般不建议使用用户字段，同AWUSER 在AXI3中未实现
ARVALID	主	必须	1	-	valid
ARREADY	丛	必须	1	-	ready

2.6 读数据通道信号

信号	源	必需/可选	位宽	默认值	描述
RID	从	可选	可变，协议未定义位宽	-	写数据识别ID, 与ARID保持一致用来对应地址和数据
RDATA	从	必需	可变，协议未定义位宽， Xilinx使用12, 13, … 64，一般为32/64	-	读数据
RRESP	从	可选	2	2’b00	读响应，指示读事务状态，同BRESP
RLAST	从	必需	1	-	指示读事务中的最后一次数据传输 RLAST置1表明此时刻的数据是最后一份数据，同WLAST
RUSER	从	可选	可变，协议未定义位宽，xilinx使用0, 1, 2, … 1024	全0	一般不建议使用用户字段在AXI3中未实现
RVALID	从	必需	1	-	valid
RREADY	主	必需	1	-	ready

三. AXI协议其它关键点

3.1 通道间的时序关系

AXI协议规定各通道间需要保证以下三种关系：

写回复必须在最后一个写数据完成后
读数据必须在接收到读地址信号后产生
通道间的握手需要满足通道间的依存关系

除了这三种联系外，协议未定义通道间的任何其它关系。这意味着写数据可在写地址之前位于数据总线上，或者写数据与写地址也可出现在相同的周期中，等等这些情况都是合乎协议的。

前两种联系很好理解，接下来我们讨论第三种情况：通道间的握手信号依赖。

3.2 VALID与READY的握手机制

AXI协议的五个通道都通过VALID和READY进行握手。VALID由数据发送端驱动，VALID置1表示发送数据有效，接收端可以接收了；READY由数据接收端驱动，READY置1表示接收端已准备好接收数据。数据总在VALID与READY同时为高的时钟信号的上升沿完成传输，同时为高持续一个时钟周期，数据就传输一次。

为避免出现死锁的情况，VALID与READY需要满足以下条件：

发送信息的AXI接口的VALID信号不得依赖于接收该信息的AXI接口的READY信号。
接收信息的AXI接口应该可以等待，直到检测到VALID信号后再声明其对应的READY信号。当然接收端也可以不等待VALID有效，而根据自身情况置高READY。

可见，READY信号的置高是灵活的，可以在检测到VALID有效后再置高，也可以在自身准备好接收信息后置高而不依赖于VALID信号。即READY允许依赖VALID。VALID则不允许依赖READY。

握手信号之间的先后顺序：

在读交易时，RVALID必须在ARVALID与ARREADY有效后才置高，也就是说必须在读地址确定后，才能发送要读的数据。
在写交易中，BVALID必须在AWVALID与AWREADY，WVALID与WREADY都有效后才置高，也就是说必须在写地址和写数据都确定后，才能发送写响应。